Понимание баланса массы ледяного покрова

Баланс массы ледяного покрова относится к чистой прибыли или потере льда из обширных ледяных щитов, покрывающих Гренландию и Антарктиду. Он рассчитывается путем сравнения накопления снега и льда с потерями, вызванными такими процессами, как таяние, сублимация (прямой переход льда в пар) и отечность айсберга. Этот баланс имеет решающее значение для понимания здоровья и динамики этих ледяных покровов, которые вместе удерживают более 99% пресноводного льда Земли. Изменения в балансе массы дают жизненно важные подсказки о том, как криосфера - замороженная часть Земли - реагирует на изменение климата.

Положительный баланс массы указывает на то, что ледяной покров набирает больше массы, чем теряет, потенциально увеличиваясь в размерах. И наоборот, отрицательный баланс массы сигнализирует о том, что ледяной покров сокращается, внося пресную воду в океан и повышая глобальный уровень моря. Поскольку ледяные щиты Гренландии и Антарктики содержат достаточно льда, чтобы поднять уровень моря примерно на 65 метров, если полностью растаять, даже небольшие изменения в их балансе массы имеют глубокие последствия для глобальной окружающей среды, океанских течений и погодных систем.

Как измеряется вес ледяного покрова

Измерение баланса массы ледяного покрова — сложная задача, требующая передовых технологий и междисциплинарных подходов.Ученые объединяют спутниковые наблюдения, аэрофотосъемки и наземные измерения для отслеживания изменений объема и массы льда с течением времени.

Ключевые спутниковые миссии включают в себя Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) и его преемника, GRACE-FO, которые обнаруживают изменения в гравитационном поле Земли, вызванные сдвигом массы льда. Эти спутники обеспечивают прямые измерения изменений массы путем обнаружения тонких различий в гравитационном притяжении по ледяным щитам.

Другим важным инструментом является спутник ледяной, облачной и наземной подъёмной зоны (ICESat) и его последующий спутник ICESat-2 , который использует лазерную альтиметрию для измерения изменений высоты ледяных поверхностей. Эти изменения высоты могут быть преобразованы в изменения объема, предлагая понимание увеличения или потери льда.

Кроме того, радиолокационная интерферометрия с синтетической апертурой (]InSAR) отслеживает скорость потока льда и сдвиг линии заземления, обнаруживая движения поверхности с высокой точностью. Наземные автоматические метеорологические станции предоставляют местные климатические данные, что еще больше повышает оценку баланса массы.

Поскольку каждый метод имеет ограничения, такие как различное пространственное разрешение или чувствительность к изменениям поверхности, объединение нескольких наборов данных дает наиболее точные и надежные оценки.

Для получения подробной информации о спутниковом мониторинге посетите страницу Жизненно важные знаки ледяных щитов НАСА .

Метод ввода-вывода

Метод ввода-вывода является основным подходом для расчета баланса массы. Он сравнивает входы, в первую очередь накопление снегопада, с выходами, такими как поверхностный сток таяния, сублимация и отечность айсберга. Региональные климатические модели оценивают скорость снегопада и таяния, в то время как спутниковые снимки и аэрофотосъемка помогают количественно оценить сброс льда в океан.

Сочетание этих оценок с гравиметрическими данными со спутников GRACE позволяет исследователям проводить перекрестную проверку результатов и генерировать точные массовые бюджеты для конкретных регионов или целых ледяных щитов.

Основные драйверы потери массы ледяного покрова

Потеря массы ледяного покрова является результатом сложного взаимодействия атмосферной, океанической и внутренней динамики льда.

  • Таяние поверхности из-за более высоких температур воздуха: Повышение летних температур вызывает обширное таяние поверхности по ледяному щиту, затемнение поверхности и создание сетей талых вод и озер.Мелтвотер может стекать через трещины к основанию ледяного щита, смазывая кровать и ускоряя ледоток.
  • Таяние под океаном на ледяных фронтах и линиях заземления: Более теплые океанские течения разрушают плавучие шельфовые ледники снизу.По мере того, как эти шельфовые ледники тоньше или разрушаются, заземленный лед за ними ускоряет свой поток к морю, увеличивая разряд льда.
  • Измененные модели снегопадов:] Более теплый воздух удерживает больше влаги, потенциально увеличивая снегопады в ледяном покрове.Однако потепление также сдвигает осадки от снега к дождю на более низких высотах, что непосредственно способствует таянию поверхности и сокращению накопления сетки.
  • Динамика и отечность льда:] Ледники и ледяные потоки, осушающие внутреннюю часть ледяного покрова, чувствительны к изменениям на их конечной стадии. Отступление фронта ледника увеличивает стресс от вождения и часто вызывает дальнейшее ускорение и отечность.

Петля обратной связи Альбедо и ее усиливающие эффекты

Свежая снежная и ледяная поверхности имеют высокое альбедо, отражающее большинство поступающего солнечного излучения обратно в космос и, таким образом, сохраняющее более прохладные температуры поверхности. Однако, по мере того, как начинается таяние, поверхность становится темнее и менее отражающей, поглощая больше солнечного света.

Это повышенное поглощение повышает температуру поверхности еще больше, усиливая плавление и темнея поверхности еще больше - петля положительной обратной связи. Этот эффект особенно выражен вдоль западной окраины Гренландии и Антарктического полуострова.

Дополнительные факторы усиливают эту обратную связь. Например, пигментированные водоросли цветут на ледовых поверхностях летом, темнея льдом. Пыль и частицы черного углерода от лесных пожаров, промышленных выбросов и местных источников оседают на льду, еще больше снижая альбедо и ускоряя скорость таяния. Эти загрязнители могут перемещаться на большие расстояния в атмосфере перед осаждением на ледяных щитах.

Следовательно, небольшое первоначальное повышение температуры может привести к непропорционально большой потере массы в чувствительных областях.

Региональные различия: Гренландия против Антарктиды

Хотя ледяные щиты Гренландии и Антарктики теряют массу с ускорением, основные факторы и региональное поведение существенно различаются.

Ледяной покров Гренландии

Ледяной покров Гренландии охватывает приблизительно 1,7 миллиона квадратных километров и содержит достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 7,4 метра. Массовые потери в Гренландии в основном являются результатом таяния поверхности и стока, сильно зависящего от повышения температуры воздуха и затемнения поверхности.

В течение лета обширные талые озера и надледниковые потоки развиваются через зону абляции (область, где происходит чистая потеря льда). Эти водные пути могут быстро стекать через мулены (вертикальные валы) в основание ледяного покрова, смазывая коренных пород и временно ускоряя поток льда к океану.

Юго-восточный и северо-западный сектора являются горячими точками для сброса льда в Атлантический океан, с быстротекущими выходными ледниками, способствующими значительным объемам льда. Средняя потеря массы Гренландии была примерно 260 миллиардов тонн в год с 2002 года, с рекордными годами таяния в 2012 и 2019 годах, отмечая беспрецедентные степени таяния и интенсивности.

Исследователи также отметили, что сезон таяния удлиняется, с более ранним началом весеннего таяния и задержкой осенней заморозки, увеличивая общую годовую потерю массы.

Антарктический ледяной щит

Антарктида содержит около 26,5 млн кубических километров льда, что составляет примерно 58 метров потенциального глобального повышения уровня моря. В отличие от Гренландии, потеря массы Антарктиды в основном обусловлена океаническим таянием под плавающими шельфовыми ледниками, которые окаймляют континент.

Эти шельфовые ледники действуют как опорные пункты, замедляя поток заземленного льда из недр в океан.Когда теплые океанские воды разрушают нижние стороны этих шельфов, они тоньше и могут разрушаться, уменьшая их сдерживающий эффект и ускоряя сброс внутреннего льда.

Западно-Антарктический ледяной щит особенно уязвим, потому что большая часть его ложа лежит ниже уровня моря, делая его восприимчивым к морской нестабильности ледникового покрова. Крупные ледники, такие как ледник Туэйтса и Пайн-Айленда, испытали быстрое истончение и отступление в последние десятилетия, зарабатывая прозвище «слабое подбрюшье» Антарктиды. Их потенциальный коллапс может значительно способствовать повышению уровня моря.

Восточная Антарктида, традиционно считающаяся стабильной из-за холодного внутреннего пространства и более высокого возвышения, в настоящее время демонстрирует ранние признаки увеличения потери льда в некоторых прибрежных секторах, однако ее обширный интерьер остается относительно стабильным на данный момент.

Для получения более подробной и обновленной информации о балансе массы Антарктики посетите Национальный центр данных по снегу и льду .

Последствия повышения глобального уровня моря

Потери массы ледяного покрова в настоящее время являются доминирующим фактором повышения уровня моря в мире, и его воздействие ускоряется. Согласно Шестому докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), комбинированные ледяные покровы способствовали повышению уровня моря в 2010-х годах примерно на 2,7 миллиметра в год, по сравнению с примерно 0,8 миллиметра в год в 1990-х годах. Прогнозы показывают, что без значительного сокращения выбросов парниковых газов эти темпы существенно возрастут.

Даже умеренное повышение уровня моря приводит к непомерным последствиям. Повышенный базовый уровень моря означает, что прибрежные штормовые волны и приливы проникают дальше внутрь страны, усугубляя эрозию, увеличивая риск наводнений и вызывая вторжение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты. Это угрожает экосистемам, снабжению питьевой водой, сельскому хозяйству и критической инфраструктуре.

Крупные прибрежные города мира, такие как Нью-Йорк, Шанхай, Мумбаи, Джакарта и многие другие, сталкиваются с повышенными рисками наводнений и ущерба от все более частых и сильных штормовых явлений.

Прогнозируемый вклад в повышение уровня моря к 2100 году в сценариях с высоким уровнем выбросов включает:

  • Гренландия: Между 0,5 и 1,2 метрами уровня моря поднимается, в основном, за счет поверхностного таяния и откалывания айсберга.
  • Антарктида: От 0,1 до 1,5 метров или более, в зависимости от темпов обрушения шельфового ледника и нестабильности морского ледяного покрова.
  • Комбинированные эффекты: Включая тепловое расширение морской воды и таяние ледников, общее глобальное повышение уровня моря может превысить 2 метра к 2100 году в худших сценариях.

Для доступной графики и актуальных данных по прогнозам уровня моря см. страницу NOAA Climate.gov уровня моря .

Более широкое воздействие на климат и циркуляцию океана

Помимо повышения уровня моря, таяние ледяных щитов оказывает значительное влияние на глобальные климатические системы, особенно на циркуляцию океана.Вливание больших объемов пресной холодной талой воды в Северную Атлантику и Южный океан может нарушить основные океанские течения, которые регулируют погоду и климат.

Одним из критических токов является Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC) , которая транспортирует теплые поверхностные воды на север и холодные глубокие воды на юг, влияя на температуры по всей Европе и Северной Америке. Приток пресной воды из таяния Гренландии снижает плотность морской воды, потенциально замедляя AMOC. Ослабленный AMOC может привести к более прохладным зимам в частях Северного полушария, изменить модели осадков и нарушить сельскохозяйственную производительность.

В Южном океане пресная вода из антарктического льда тает, пресноводные поверхностные воды, изменяя структуру плотности, которая приводит к образованию Антарктической низменной воды, глубокой, холодной водной массы, которая является ключевым фактором глобальной циркуляции океана. Изменения здесь влияют на распределение питательных веществ и морские экосистемы, влияя на виды от криля до китов и влияя на поглощение углерода.

Кроме того, потепление поверхностей ледяного покрова и изменение градиентов температуры между льдом и открытым океаном могут изменить местные погодные условия, усиливая прибрежные ветры и способствуя транспортировке более теплых воздушных масс по льду, что может еще больше ускорить таяние.

Последние исследования и ускорение тенденций

Последние научные исследования показывают тревожное ускорение потери массы ледяного покрова. В период с 2018 по 2022 год данные миссии GRACE-FO показали, что Гренландия ежегодно теряла в среднем 274 млрд тонн льда, причем потери сосредоточены в юго-западных и северо-восточных регионах.

В Антарктиде ледник Пайн-Айленд пережил несколько крупных отеков, со спутниковыми снимками, показывающими быстрый разрыв ледника Туэйтса — события, которые повышают риск дестабилизации.

Особенно тревожным процессом является нестабильность морского ледяного утеса (MICI) , где высокие ледяные утесы на фронтах ледников разрушаются под собственным весом, что потенциально вызывает внезапное и быстрое отступление. Хотя все еще теоретически для Антарктиды, моделирование предполагает, что MICI может вызвать значительный вклад уровня моря в конце 21-го века, если он будет спровоцирован.

Исследователи также изучили сложные взаимодействия между талой водой и ледяным покровом. В Гренландии исследования, связанные с бурением скважин, показали, что поверхностные талые воды, достигающие слоя, могут первоначально смазывать ледяную базу, ускоряя поток ледников. В течение более длительных периодов подледниковая гидрологическая система адаптируется, потенциально уменьшая смазку, поскольку дренаж становится более эффективным. Понимание этой динамики имеет решающее значение для прогнозирования будущего поведения ледового потока.

Для всестороннего научного синтеза, проконсультируйтесь с рабочей группой I Главы 9 IIPCC AR6 по океану, криосфере и изменению уровня моря.

Почему контроль массы ледяного покрова имеет значение

Постоянный и точный мониторинг баланса массы ледяного покрова необходим по нескольким причинам:

  • Улучшение климатических моделей: Надежные данные о поведении ледяного покрова улучшают прогнозные модели, которые информируют о глобальной политике и стратегиях смягчения последствий изменения климата.
  • Поддержка планирования адаптации: Прибрежные сообщества и планировщики инфраструктуры зависят от прогнозов повышения уровня моря для разработки устойчивых защитных мер и мер по смягчению последствий.
  • Обнаружение ранних предупреждающих знаков: Мониторинг помогает идентифицировать предшественников резких изменений ледяного покрова, таких как быстрое истончение ледника или обрушение шельфового ледника, что позволяет принимать активные меры.

Международные и национальные программы, такие как NASA (FLT:0) (Операция IceBridge), CryoSat-2 (FLT:3) Европейского космического агентства (ЕКА), и спутники Сентинель (FLT:4) (FLT:5) предоставляют бесценные ресурсы для непрерывного мониторинга.

Учитывая важную роль ледяных щитов в динамике глобального климата и уровня моря, устойчивые инвестиции в технологии наблюдений и научные исследования остаются глобальным приоритетом для прогнозирования и смягчения последствий потепления планеты.